溫度變化對大型預(yù)應(yīng)力混凝土倒虹吸結(jié)構(gòu)受力的影響
摘要：預(yù)應(yīng)力混凝土倒虹吸結(jié)構(gòu)是一個受力狀況復雜的大體積混凝土結(jié)構(gòu)，在溫度變化作用下，其應(yīng)力狀態(tài)難以確定。為此，運用三維有限元對倒虹吸結(jié)構(gòu)進行了數(shù)值分析，確定其在無溫度變化、最大溫升、最大溫降情況下9種工況的應(yīng)力分布狀態(tài)。結(jié)果表明，在各種設(shè)計工況荷載作用下，無溫度變化時，預(yù)應(yīng)力混凝土倒虹吸結(jié)構(gòu)均沒有產(chǎn)生拉應(yīng)力；但在溫度變化時，工況Ⅰ和工況Ⅲ均產(chǎn)生了較大的拉應(yīng)力。其中，在溫升情況下，工況Ⅰ底板下表面和工況Ⅲ頂板上表面產(chǎn)生拉應(yīng)力大小分別為1.53 MPa和1.72 MPa；在溫降情況下，工況Ⅰ邊墻內(nèi)側(cè)、工況Ⅲ頂板下表面、工況Ⅲ底板上表面和工況Ⅲ邊墻內(nèi)側(cè)產(chǎn)生拉應(yīng)力大小分別為1.36 MPa、1.77 MPa、1.85 MPa和1.65 MPa。因此，溫度變化對倒虹吸結(jié)構(gòu)的影響是不容忽視的。
關(guān)鍵詞：溫度變化；倒虹吸；溫升；溫降；有限元分析
中圖分類號：TV672.3文獻標識碼：A文章編號：1672-1683（2013）04-0196-04
南水北調(diào)中線工程是世界矚目的大型跨流域調(diào)水工程，涉及了大量的渡槽、倒虹吸、涵洞等建筑物。其中倒虹吸管是輸水工程中重要的建筑物，如果外露的鋼筋混凝土管段出現(xiàn)裂縫，將給結(jié)構(gòu)帶來很大的危害，另外，倒虹吸管受力復雜，結(jié)構(gòu)計算中不僅要考慮管身自重、內(nèi)水壓力、外水壓力、土壓力、摩擦力、地震作用力等，還需考慮溫度應(yīng)力。以前對倒虹吸結(jié)構(gòu)配筋時，往往不關(guān)注溫度應(yīng)力的影響，或者把溫度作用按照其他荷載引起的應(yīng)力加上一定的百分比來考慮[1]。近年來一系列的數(shù)值分析和原型觀測資料表明，溫度變化是一項非常重要的荷載，在設(shè)計結(jié)構(gòu)及配筋計算時，應(yīng)該考慮溫度的作用[2-4]。本文以大型倒虹吸結(jié)構(gòu)為研究對象，利用三維有限元分析軟件ANSYS，進行數(shù)值分析，深入研究大型倒虹吸結(jié)構(gòu)在沒有溫度作用、最高溫升作用和最高溫降作用等情況下，倒虹吸管身混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)，及其對倒虹吸混凝土結(jié)構(gòu)的影響。
1工程概況
本工程由南段倒虹吸、中間明渠和北段倒虹吸三大部分組成，其中南北段倒虹吸由進口檢修閘、倒虹吸管、出口節(jié)制閘（或檢修閘）等建筑物組成。南段倒虹吸長1 250 m，中間明渠長2 030 m，北段倒虹吸長1 055 m。倒虹吸管為3孔1聯(lián)，單孔過水斷面尺寸（高×寬）6.6 m×6.5 m。管身為預(yù)應(yīng)力混凝土箱形結(jié)構(gòu)，采用1 860級高低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線和曲線孔道真空輔助灌漿后張有黏結(jié)的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)尺寸為：底板、頂板及邊墻厚度均為1.0 m，中墻厚度為0.8 m。倒虹吸斷面示意圖見圖1。
2.6倒虹吸結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析的三維有限元模型
由于倒虹吸預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)按抗裂設(shè)計，因此選用三維有限元彈性計算模型，并考慮地基和混凝土墊層對結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布的影響。混凝土單元采用均化的鋼筋混凝土折算彈性模量，不考慮預(yù)應(yīng)力筋對結(jié)構(gòu)剛度的增強作用，預(yù)應(yīng)力鋼筋對混凝土的作用力以單元節(jié)點通過專用程序施加[5]。在正常使用極限狀態(tài)下，倒虹吸結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力分析三維有限元數(shù)值計算采用ANSYS通用有限元分析軟件中的8節(jié)點塊體元。為簡化計算，倒虹吸管兩側(cè)原位土和回填土對結(jié)構(gòu)的影響均以外荷載代替[6]�？紤]倒虹吸管下部地基土對結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布的影響，由圣維南原理從倒虹吸管底部向下取地下基礎(chǔ)厚度為5.0 m，從倒虹吸管邊豎墻向外取10 m進行模擬[7-8]。
在進行溫度計算時，以多年平均溫度對應(yīng)的溫度場作為初始溫度場，最高溫升和最大溫降時對應(yīng)的溫度場為最終溫度場，得到平均溫度場相應(yīng)于最高溫升和最高溫降時的溫差，即為溫度應(yīng)力計算時的荷載。溫度應(yīng)力計算采用熱-結(jié)構(gòu)順序耦合的分析方法，先進行熱分析求得渡槽結(jié)構(gòu)的溫度場，然后再進行結(jié)構(gòu)分析，將熱分析得到的溫度場作為荷載加到結(jié)構(gòu)中，從而求得渡槽結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布。計算溫度作用時，溫度邊界條件為：倒虹吸外側(cè)采用地溫，倒虹吸內(nèi)側(cè)采用水溫（有水工況）或者空氣溫度（無水工況）。
3有限元結(jié)果分析
3.1頂板正應(yīng)力
3.1.1溫升條件下的應(yīng)力分布
在所有工況荷載作用下，不考慮溫度變化時，頂板上表面和下表面均沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力，壓應(yīng)力也不大。比較所有工況荷載作用，工況Ⅰ渠道設(shè)計水位（最高地下水位）和工況Ⅲ渠道加大水位條件下，倒虹吸頂板上表面出現(xiàn)了較小的壓應(yīng)力。同時，由表2可知，從工況Ⅰ到工況Ⅶ，倒虹吸內(nèi)部溫度受水溫控制，外部溫度受地溫控制，夏季水溫較高，地溫（倒虹吸管身埋于地下）相對較低，使得倒虹吸內(nèi)部溫度高于外部溫度，溫差達10.1 ℃。這樣的溫差導致了頂板表面原本壓應(yīng)力不大的邊跨跨中（工況Ⅰ和工況Ⅲ）小部分區(qū)域內(nèi)均出現(xiàn)了拉應(yīng)力，其中工況Ⅲ拉應(yīng)力較大。由圖4可知，應(yīng)力值由無溫度變化時的壓應(yīng)力值-1.76 MPa，變化為溫升時的拉應(yīng)力值1.72 MPa。
在工況Ⅲ渠道加大水位作用下，溫升造成頂板下表面壓應(yīng)力整體趨于增大趨勢，最大壓應(yīng)力發(fā)生在邊跨跨中，最大壓應(yīng)力由無溫度變化時的-10.5 MPa變化到溫升時的-13.1 MPa（圖5），壓應(yīng)力的增大對結(jié)果影響不大。
3.1.2溫降條件下的應(yīng)力分布
對于下表面，當外界氣溫下降時，比如在冬季12月份時，氣溫和水溫變化較大，地溫變化較小，使得倒虹吸管內(nèi)溫度低于管外溫度，最大溫降為-14.1 ℃。經(jīng)分析，在溫降情況和荷載作用下，在所有工況中，工況Ⅲ拉應(yīng)力最大，拉應(yīng)力大小為1.77 MPa（圖5）。拉應(yīng)力發(fā)生在頂板下表面距離倒虹吸左邊緣6～10 m范圍內(nèi)，因為該位置處在倒虹吸管頂板與豎墻交接處，因此，應(yīng)加強此處的構(gòu)造措施。對于上表面，溫降使得壓應(yīng)力值增大，壓應(yīng)力值由原來的-14.7 MPa變化到-16.5 MPa。
3.2底板正應(yīng)力
3.2.1溫升條件下的應(yīng)力分布
所有工況荷載作用下，在不考慮溫度變化時，底板上下表面均沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力。大部分混凝土在施加預(yù)應(yīng)力的作用下處于受壓狀態(tài)，形成連續(xù)受壓區(qū)，壓應(yīng)力最大值為-10.92 MPa（工況Ⅵ）。由圖6可知，對于底板上表面，溫升使得壓應(yīng)力趨于增大趨勢，最大壓應(yīng)力為-13.14 MPa。由圖7可知，在工況Ⅰ長期荷載作用下，溫升對底板下表面不利，使底板下表面距離邊跨左邊緣3～6 m范圍和距離邊跨左邊緣10.2～12.4 m范圍內(nèi)均出現(xiàn)拉應(yīng)力，拉應(yīng)力最大值分別為1.53 MPa和0.86 MPa。 對于工況Ⅷ和工況Ⅸ，溫升對倒虹吸底板下邊緣是不利的，雖然溫升值較高（11.4 ℃），但由于完建期管內(nèi)無水，減小了內(nèi)水壓力，使得底板下邊緣僅出現(xiàn)了較小的拉應(yīng)力（0.13 MPa），說明內(nèi)水壓力影響較大。
3.2.2溫降條件下的應(yīng)力分布
在溫降情況下，工況Ⅲ在底板上表面邊跨左邊與邊墻交接處以及中跨上表面右邊與中墻交接處均出現(xiàn)應(yīng)力集中，拉應(yīng)力較大，分別為1.28 MPa和1.85 MPa，見圖6。
3.3邊墻和中墻正應(yīng)力
所有工況荷載作用下，在不考慮溫度變化和溫升時，邊墻左右表面均沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力。在施加預(yù)應(yīng)力的作用下混凝土處于受壓狀態(tài)，形成連續(xù)受壓區(qū)，壓應(yīng)力最大值為-12.75 MPa。
此時，溫升對于倒虹吸管內(nèi)側(cè)是有利的，溫升使得管內(nèi)側(cè)混凝土膨脹，減小了拉應(yīng)力。相反，溫升對于倒虹吸管外側(cè)是不利的，但曲線預(yù)應(yīng)力筋的作用對倒虹吸管外側(cè)拉應(yīng)力具有緩沖作用。因此，整體作用使得倒虹吸管外側(cè)并沒有產(chǎn)生拉應(yīng)力。
溫降時，在工況Ⅰ（渠道設(shè)計水位、河道無水）長期荷載作用下和工況Ⅲ（渠道加大水位，管頂土被校核洪水沖至管頂以上0.5 m）短期荷載作用下，邊墻內(nèi)側(cè)與頂板上表面交接處出現(xiàn)應(yīng)力集中，局部拉應(yīng)力較大，最大拉應(yīng)力分別為1.36 MPa 和1.65 MPa。此處，溫降對倒虹吸結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)是不利的，使得倒虹吸管內(nèi)側(cè)混凝土收縮，加劇了倒虹吸管內(nèi)側(cè)混凝土拉應(yīng)力[9]。
中墻在所有工況荷載作用下，不考慮溫度變化時和溫升、溫降情況下均沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力，且壓應(yīng)力不大，最大壓應(yīng)力為8.3 MPa，相當于混凝土軸心抗壓強度標準值的31%，保證正常使用狀態(tài)下混凝土受壓徐變在彈性范圍內(nèi)。因此，中墻預(yù)應(yīng)力筋采用直線型完全滿足要求。
4結(jié)語
在所有工況荷載作用下，溫度變化時，工況Ⅰ和工況Ⅲ均產(chǎn)生了較大的拉應(yīng)力，其中，工況Ⅲ溫降時在底板上邊緣與中墻交接處產(chǎn)生了較大的拉應(yīng)力，拉應(yīng)力大小為1.85 MPa，溫升時，在邊跨跨中產(chǎn)生了較大的拉應(yīng)力，拉應(yīng)力值為1.72 MPa。
從計算結(jié)果看，溫度變化產(chǎn)生的拉應(yīng)力不容忽視，在進行混凝土倒虹吸結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程中，必須全面考慮溫度荷載，以往設(shè)計中簡化甚至忽略溫度荷載的做法是不合理的。
參考文獻：
[1]王林玉，朱向榮，鐘秉章.巖石抗力和內(nèi)外溫差對大型水電站蝸殼結(jié)構(gòu)的影響[J].浙江大學學報（工學版），2000，34（4）：433-437.
[2]Verma Vishnu，Ghosh A K，kushwaha H S，Temperature Distribution and Thermal Stress Analysis of Ball-tank Subjected to Solar Radiation[J].Journal of Vessel Technology，2005，127：119-122.
[3]Lee Y S，Choi M H，et al.A Structural Analysis of the Circular Cylinder with Multi Holes Under Thermal Loading[J].Nuclear Engineering and Design，2002，212：273-279.
[4]Chen Yaolong，Wang Changjiang，Li Shouyi，et al.Simulation Analysis of Thermal Stress of RCC Dams Using 3-D Finite Element Relocation Mesh Method[J].Advances in Engineering Software，2001，32：677-682.
[5]李曉克，嚴振瑞，趙順波，等.淺埋式預(yù)應(yīng)力混凝土壓力管道結(jié)構(gòu)設(shè)計與技術(shù)經(jīng)濟比較[J].水利水電技術(shù)，2002，（6）：20-25.
[6]唐獻富.沁河倒虹吸預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)分析[J].南水北調(diào)與水利科技，2008，6（4）：34-35.
[7]姚賢華，裴松偉，趙順波.高壓旋噴樁復合地基承載特性的有限元分析[J].華北水利水電學院學報，2009，30（1）：93-95.
[8]趙順波，姚賢華，裴松偉，等.回填土區(qū)深層攪拌樁和高壓旋噴樁復合地基的靜承載性能[J].中國港灣建設(shè)，2008，（1）：16-20.
[9]連繼建，喻剛，王海軍.溫度變化對水電站蝸殼結(jié)構(gòu)配筋的影響[J].天津大學學報，2006，（8）：957-962.
